水性工业涂料技术发展趋势

顾佳杰 胡 喆

上海市化工科学技术情报研究所（上海 200030）

综述

水性工业涂料技术发展趋势

顾佳杰 胡 喆

上海市化工科学技术情报研究所（上海 200030）

为控制大气污染，国内工业涂料水性化成为其重要的发展方向。简单介绍了国内外涂料的生产情况。对水性环氧涂料、水性羟基丙烯酸涂料和水性醇酸树脂涂料的现有技术和应用领域进行了介绍，并对这三种涂料的未来发展进行了阐述。

水性涂料 工业涂料 环氧涂料 丙烯酸涂料 醇酸树脂涂料

近年来，随着雾霾天气频发，大气中细颗粒物（PM2.5）的含量以及挥发性有机物（VOC）的排放已成为人们关心的话题。研究已证明，VOC排放与PM2.5存在密切联系，所以VOC控制成为大气污染防治工作的重点之一。工业源是最主要的VOC排放源，排放贡献率高达55%。涂料与涂装行业则是工业源中的重点行业，VOC排放量占整个工业源的21.6%，即占整个VOC来源的11.9%（55%×21.6% =11.9%）（详见图1）。因此，在VOC治理过程中，涂料涂装行业将被列为重点行业[1]。

图1 我国VOC的分布情况及工业源部分的细分情况

随着国家对环境越来越重视，环保意识越来越强，对涂料VOC指标的限制会越来越严格，目前国家已公布北京、上海、江苏、安徽、浙江、四川等多省市的VOC排污费和收费政策，涂料的绿色化、无溶剂化是其发展的必然趋势。

2015年中国涂料产量为1718万t，其中建筑涂料为538万t，工业涂料约为1180万t。工业涂料中溶剂型涂料占90%。若利用水性涂料对溶剂型涂料进行替代，以50%的代替率计算，每年VOC的排放量将至少减少265万t（传统的溶剂型涂料含有大约50%的有机溶剂），同时也有效地减少了资源浪费，可以节约数十亿人民币[2]。

水性涂料是指用水代替涂料中绝大部分的有机溶剂，以水为溶剂或分散介质的涂料,也称为水分散体涂料，其又分为水乳液型分散体和水稀释型分散体，可以很大程度上降低VOC的排放。目前水性涂料是绿色涂料发展的一个主要方向，工业涂料也在往这一方向发展。

1 涂料市场概况

1.1 全球涂料市场概况

2015年，原油价格的下跌使涂料行业的基本费用减少了8.3%，但由于全球经济发展缓慢，涂料市场反而出现了产量的下降。2010年—2015年全球涂料的产量如图2所示。

图2 2010年—2015年全球涂料销量及销售额变化

根据世界油漆与涂料工业协会（WPCIA）的报告，2015年全球油漆涂料销售量达到3 727万t，销售额共计1282亿美元。其中，建筑涂料的销售量为1906万t，占总销售量的51%，年销售额为621.1亿美元，占总销售额的49%；工业涂料销售量为1 044万t，占总销售量的28%，年销售额为307.7亿美元，占总销售额的24%。

如图3所示，亚太地区仍然是油漆涂料最大的消费地区，其后依次是欧洲、北美和拉丁美洲。2015年，亚太地区油漆涂料销售量以49%的占比领先，其中，中国占亚太涂料市场的60%，印度占14%。

图3 2012年和2015年全球涂料销量分布情况

1.2 中国涂料市场概况

国家统计局最新统计数据显示，全国规模以上的2026家涂料制造企业，2015年涂料产量累计达1 717.57万t，同比增长4.2%，占全球涂料总产量的46%；涂料产值累计达4 184.84亿元，同比增长7.3%。2010年—2015年中国涂料产量情况如图4所示。

图4 2010年—2015年中国涂料市场情况

2 水性工业涂料

目前用于防腐蚀水性工业涂料的体系主要包括水性环氧树脂体系、水性丙烯酸体系、水性醇酸树脂体系等[3]。

2.1 水性环氧工业涂料

环氧树脂具有优异的金属附着性和防腐蚀性，是目前用于金属防腐蚀最为广泛、最为重要的树脂之一。大量研究表明，环氧树脂所制得的涂膜对水蒸气和氧气具有良好的屏蔽性，且附着力好、收缩率低，成为水性金属防腐蚀涂料中应用最广泛的防腐涂料。

目前，制备水性环氧树脂的方法主要有直接乳化法（又称机械法）、相反转法和自乳化法（又称化学法）。前两种方法制得的粒子粒径较大，通常为微米级；而自乳化法所制得的粒子较细，通常为纳米级，应用效果较好。目前自乳化反应又可以分为酯化反应型、醚化反应型和接枝反应型3种。

酯化反应型是向环氧树脂中引入含有羧酸基团的化合物进行酯化反应。其缺点是随着时间的延长，酯化产物中的酯键会水解，进而导致体系不稳定。针对这一缺点，目前的解决方法是通过形成CC，将带有羧酸基团的化合物接枝到环氧树脂上。

醚化反应型是亲核试剂进攻环氧环上的C原子进行反应。现有的可行方法大概有3种：（1）环氧树脂和对位羟基苯甲酸甲酯进行反应，然后中和水解得到水性环氧树脂乳液；（2）环氧树脂与巯基乙酸反应，再中和水解制得水性环氧树脂乳液；（3）氨基苯甲酸与环氧树脂反应，产物可稳定分散于合适的胺水混合溶剂中。

自由基接枝改性法是采用双酚A型环氧树脂与丙烯酸酯类化合物在过氧化物引发剂的引发下反应，从而引入亲水基团，然后加入中和剂得到水性乳液。用于接枝的单体一般含有极性强的亲水基团羧基，然后通过中和来实现水性化，得到水性环氧树脂乳液。

目前水性环氧树脂已广泛地应用于金属防腐、罐头内壁、工业地坪、木器漆、核设施和防水防渗漏等领域中。由于其优异的性能，有些国家甚至将其列入重防腐的范畴[4]。

2.2 水性羟基丙烯酸工业涂料

丙烯酸树脂是由丙烯酸及丙烯酸酯类单体在一定条件下共聚而形成的线性高分子树脂，其简易合成流程如图5所示。

水溶性丙烯酸树脂之所以具有水溶性，是因为树脂在合成过程中，引进了亲水性基团（羧基、羟基、氨基、酰胺基等）。为了进一步增加树脂的水溶性，可以加胺中和成盐，然后再加水稀释得到水溶性丙烯酸树脂。

羟基丙烯酸树脂固化后具有硬度高、漆膜丰满、附着力好、耐性突出的特点，是一种性能优良，用途广泛的保护和装饰性涂料，特别是在金属、木器、塑料、玻璃等领域。

2.3 水性醇酸树脂工业涂料

醇酸树脂是我国发展最早、产量最大、价格较低的合成树脂。醇酸树脂的组分和性能可在很大范围内进行调整，仅仅是不同的多元醇和多元酸就能得到性能各异的树脂；而醇和酸之间官能度之比的变化可控制支化度，树脂原料中羧基或羟基之间的碳原子数能调整树脂的柔软性等，这些特点使醇酸树脂能应用于更多的领域，因而研制高性能水性醇酸树脂具有重要的实用意义。

水性醇酸树脂现采用内乳化的方法生产，即在聚合物上引入一定量的亲水性基团如羧基或氨基,然后分别用适量的碱或酸中和成盐，从而使聚合物具有水溶性而分散于水中。最常用的是在聚合物上引入羧基，将酸值控制在40～80 mgKOH/g之间，然后用有机胺将其中和成盐以获得水溶性。

内乳化法使树脂获得水溶性的方法主要有三种：（1）成盐法，即通过聚合反应,先在树脂中引入适量的亲水性基团（如—COOH、—OH、—NH2等）然后用适量的酸或碱中和成盐，通过酸碱反应将聚合物主链转变为可溶于水的阴阳离子，从而达到亲水性的目的；（2）在聚合物中引入非离子基团；（3）将聚合物转变成两性离子中间体。目前成盐法已基本实现工业化生产。

图5 水性丙烯酸酯乳液工艺流程

水性醇酸树脂涂料的制备过程是将加有共溶剂的水稀释性醇酸树脂取出部分，用胺或酸中和，加入颜料、分散剂，利用研磨机进行研磨，达到要求后进行调稀，然后加入剩余的聚合物树脂、用于中和的胺或酸、交联剂（如氨基树脂），并用高速分散器分散，逐步加水以降低黏度，即可得到水稀释性醇酸涂料。

可用于铁道车辆的水溶性厚浆醇酸树脂漆产品，先后通过了中车青岛四方车辆研究所有限公司（原铁道部四方车辆研究所）、国家涂料质量监督检验中心、中铁检验认证中心的检测，显示出优异的物理机械性能、耐腐蚀性和耐候性。国外汽车底漆也多使用各种改性的环氧树脂、醇酸树脂以及一些优质的水溶性树脂。水性醇酸树脂继承了醇酸树脂的优点而且可以通过改性获得良好的耐候性、耐水性、耐腐蚀性、附着力、干燥性等，同时水性涂料大大降低了VOC的含量，顺应了环保要求，因此水性醇酸树脂涂料有很好的发展前景。

3 结语

目前水性涂料在国外已成为发展的重点领域，一些产品已较为成熟，而国内起步晚，开发水平不高，产品单一、无系列化产品且多为建筑涂料，在防腐领域和国外有较大的差距。

目前水性环氧树脂体系的研究方向主要是寻找更好的固化剂，改善交联度、硬度和柔韧性，缩短固化时间，提高物理机械性能，扩大使用范围等。

水性羟基丙烯酸涂料少部分以水为溶剂的涂料存在树脂固含量低、耐性差、漆膜装饰性不好等问题，不能够大量替代溶剂型羟基丙烯酸树脂，因此提高水性羟基丙烯酸树脂的耐性和固含量以及装饰性是目前亟待解决的问题。

水性醇酸树脂的性能基本上与同类的溶剂型醇酸树脂的性能相当，但是还需进一步完善，比如硬度低、耐水性不佳等问题，使得水性醇酸树脂的推广应用还受到一定的限制。

[1]中国涂料工业协会.2014年上半年我国涂料行业经济运行情况简析[J].中国涂料,2014,29(9):6-12.

[2]李自立.浅析水性涂料特性及其应用 [J].山东化工, 2015,44(15):85-88.

[3]耿耀宗,王云清.环境友好工业涂料研发进展(I)[J].现代涂料与涂装,2006(1):1-7.

[4]柯志刚,易昌凤,徐祖顺,等.水性环氧树脂的研究进展[J].现代涂料与涂装,2015,18(8):17-20.

[5]中国涂料工业协会.中国涂料工业年鉴2014[M].北京:化学工业出版社,2015.

Development Trend of Waterborne Industrial Coatings Technology

Gu Jiajie Hu Zhe

In order to control the air pollution,industrial waterborne coatings have become an important development direction in China.The production of coatings at home and abroad is briefly introduced.The existing technologies and application fields of waterborne epoxy coatings,waterborne hydroxyl acrylic coatings and waterborne alkyd resin coatings are introduced.Finally,the future development of these three coatings is described.

Waterborne coating;Industrial coating;Epoxy coating;Acrylic coating;Alkyd resin coating

TQ633

2017年5月

上海市科委科研计划项目（15dz1206004）

顾佳杰 男 1985年生 硕士 工程师 主要从事化工行业技术情报的研究工作